Studio dell’influenza di lampade led di nuova generazione sulla crescita e il metabolismo di alcune specie forestali (Fagus sylvatica L., Quercus ilex L., Quercus suber L.)

Abstract

Obiettivo principale della vivaistica forestale è la produzione di piantine che siano in grado di offrire maggiori garanzie d’attecchimento, di adattamento e di rapido accrescimento da utilizzare negli imboschimenti protettivi e produttivi al fine di ridurre la pressione antropica sulle foreste naturali. Per ottenere un esito positivo del restauro ambientale e del rimboschimento forestale, è necessario produrre piantine di alta qualità per garantire il successo degli interventi forestali eseguiti. La fase di pre-coltivazione (recentemente sperimentata anche nel settore forestale) prevede la produzione sostenibile di piantine forestali (minor uso di risorse quali acqua, energia, fertilizzanti, torba, pesticidi), utilizzando mini-contenitori alveolari, in camere di crescita dotate di luci artificiali e per un periodo piuttosto breve (30-40 giorni) ma sufficiente a garantire un’ottima germinabilità dei semi e il successivo sviluppo delle specie coltivate. Generalmente, nelle camere di crescita sono utilizzate luci fluorescenti. Recentemente, luci LED sono state utilizzate grazie alla possibilità di definire specifici spettri luminosi soddisfacendo le esigenze di crescita della pianta. L’obiettivo della ricerca, sviluppata nell’ambito del progetto europeo Regen-Forest, è stato quello di stabilire se i LED possano essere utilizzati nella fase di pre-coltivazione di specie forestali e di valutare la risposta delle piante una volta trasferite nell’ambiente naturale (serra e, successivamente, pieno campo). Sono state analizzate tre specie forestali: il faggio (Fagus sylvatica L.), il leccio (Quercus ilex L.) e la sughera (Quercus suber L.), che sono state allevate sotto quattro diversi spettri LED e ilo loro comportamento è stato confrontato con quello delle piantine cresciute sotto luci fluorescenti. In tutte le fasi sperimentali (camera di crescita, serra e piano campo) sono stati valutati alcuni componenti biochimici coinvolti nella di crescita delle piante (contenuto di clorofilla, pigmenti accessori e proteine), le variazioni dell’attività di enzimi coinvolti nel meccanismo di assimilazione dell’azoto (nitrato reduttasi, NR, e glutammina sintetasi, GS) e, infine, l’effetto prodotto dai diversi tipi di illuminazione sul livello di perossidazione dei lipidi, utilizzando come indice la concentrazione di malondialdeide (MDA). Inoltre, durante il periodo di ricerca, è stata sviluppata e costruita una camera di crescita sperimentale, chiamata Prototipo Regen-Forest, che permette di avere un’alta produzione di piantine forestali con un basso consumo energetico. Il Prototipo è caratterizzato da 10 ripiani in continuo movimento rotatorio esposti all’illuminazione prodotta da solo 3 lampade LED. Per valutare la risposta delle tre specie studiate al nuovo metodo di allevamento rispetto a quello tradizionale, sono state eseguite le medesime indagini riguardanti il contenuto di clorofilla, i pigmenti accessori e le proteine; nonchè le variazioni dell’attività degli enzimi NR e GS e la concentrazione di MDA, come indice di stress ossidativo. I risultati della ricerca hanno evidenziato che i LED sono una valida alternativa alle luci fluorescenti nella fase di pre-coltivazione determinando una buona crescita delle piante, sia a livello fisiologico sia metabolico. Nel successivo passaggio in serra e in pieno campo, le specie forestali allevate con le luci LED hanno mostrato una buona ripresa vegetativa, indicando quindi che le condizioni adottate durante la fase di pre-coltivazione sono state idonee. Le lampade LED hanno mostrato la loro efficacia nel sostenere lo sviluppo delle piante in ambiente artificiale e quindi sono un’ottima alternativa alle lampade fluorescenti. Una loro più diffusa applicazione consentirebbe di ridurre notevolmente i costi energetici nella fase di pre-coltivazione grazie alle loro particolari caratteristiche legate soprattutto al basso consumo energetico, ad un alto numero di ore di funzionamento e ad una bassa emissione di calore. Dai dati ottenuti, il Prototipo può essere considerato un’innovazione tecnologica promettente per un’efficace produzione di materiale forestale permettendo di ottenere un risparmio energetico del 75% rispetto a una camera di crescita a fluorescenza. Inoltre, la produzione di un elevato numero di piantine di buona qualità e l’elevata meccanizzazione fanno del Prototipo una tecnologia adatta per il miglioramento qualitativo e quantitativo della produzione vivaistica forestale.

Forest nursery aims to a large production of seedlings with good growth capacity to be used in environment restoration. To obtain a successful outcome of the environmental restoration and forestry reforestation, it is necessary to produce high quality seedlings to ensure the success of forestry plantations. The pre-cultivation phase provides a sustainable production of forest plants (less use of resources such as water, energy, fertilizers, peat, pesticides) in alveolar containers into growth chambers under artificial lights for a short period (30-40 days) sufficient to guarantee a high seed germination and development of the species. Growth chambers are generally equipped with fluorescent lights. Recently, LED lights have been introduced as an alternative lamp because it is possible to set up the specific wavelength, according to plants growth requirements, but studies on the development of forest trees under LEDs system are very limited. The objective of the research, developed within the European project Regen-Forest, was to determine if LEDs can be used as a light source in the pre-cultivation of forest trees and to assess the response of plants when transferred in the greenhouse and then in the open field. We analyzed three forest species: Fagus sylvatica L., Quercus ilex L. and Quercus Suber L. grown under four different LED spectra and compared with those grown under fluorescent lamps. In all experimental phases (growth chamber, greenhouse and open field) we evaluated some growth parameters (chlorophyll content, carotenoid content and protein content), changes in extractable activities of key enzymes involved in nitrogen assimilation pathways (nitrate reductase, NR, and glutamine synthetase. GS) and, finally, we studied the changes in lipid peroxidation level in leaves, measured as the content of MDA (malondialdehyde), a widely used stress index of plant membranes. During the research period, it has developed an experimental growth chamber, called Regen-Forest Prototype, which allows to obtain a high forest seedlings production with a low energy consumption. The Prototype made by 10 shelves in continuous rotational movement and exposed to 3 LEDs light. To evaluate the effects of the growth of forest seedlings in the Prototype, compared to a traditional growth chamber, we evaluated the same growth parameters (chlorophyll content, carotenoid content and protein content), changes in the activity of enzymes NR and GS and concentration of MDA, as an indicator of oxidative stress, on the same tree species (beech, holm oak and cork oak). The results showed that LEDs are a reliable alternative to fluorescent lights in the pre-cultivation phase improving plant growth. Good results were found when seedlings, grown both under LEDs and under fluorescent lamps, were transplanting in the greenhouse and in open field. This result suggests that the LEDs are a promising alternative to fluorescent lights. In conclusion, the Prototype performance, in terms of number of plants obtained, energy saving, good quality of seedlings and high mechanization seems to point out such a technology as a promising innovation for the quali-quantitative improvement of plants production in forest nursery.